基于多参数变量的铝合金热处理集成管控工艺知识库构架

刘 琦, 万茹涛, 种永刚, 李沐天, 曲 明

(1. 中航西安飞机工业集团股份有限公司, 陕西 西安 710089;2. 东软集团股份有限公司, 辽宁 沈阳 110179)

随着航空航天行业的快速发展,新材料、新工艺、新方法的不断投入与新机项目的启动,铝合金零件的集成化、整体化及复杂化成为必然趋势。热处理通过改善材料内部组织而赋予产品高强度、更好的工程力学性能、更长的服役寿命,是决定成品性能、寿命和可靠性的关键特殊过程与制造业竞争的核心要素。热处理作为特种工艺,受材料尺寸规格特性、工艺参数、设备条件、检测方法差异性制约,现有设备与技术已然不能满足信息化建设的发展需求,迫切需要进行设备和产能技术的提升,智能集成化实现工艺监控网络化自动化、质量监测与控制一体化、工艺参数自动收发等是企业信息发展的必然趋势[1-2]。

热处理集成管控工艺知识库结合计算机技术进行数字化管理控制,可对热处理车间现场设备运行状态和过程质量集中监控,实时动态掌握设备运行情况[3]。能与车间MES等其他信息系统联结,在系统中完成工件热处理工序的全流程管控,确保加工流程中实现所有资源的合理调配,避免了加热设备与时间排布上的浪费。热处理集成管控工艺知识库的构建,实现了计算机系统对加热设备的集中控制,改变过去传统的单依靠最终检验被动把关来保证质量的观念和制度,实行以预防为主、预防与检验相结合的主动控制质量保证模式,把质量把关重点转移到热处理过程控制上,把质量缺陷消灭在热处理过程中。

1 热处理信息化管控系统平台开发

航空热处理整炉成批量投入、材料种类多、工艺复杂多样、质量控制严格、过程记录可追溯,为实现热处理质量监控与生产一体化和提高排产精益管理效率,因此设计一个基于航空材料规范、热处理规范标准和工艺实践经验,且能实现与车间生产MES等排产系统融合的热处理工艺知识库极为迫切。基于此,创建热处理信息化管控系统,推动热处理数字化转型,是实现分散的热处理炉集中监控和管理、热处理工艺规程数据化转换、计量台账的管理、热处理原始记录、曲线的无纸化存储和读取,与制造执行系统、质量管理系统等系统进行信息共享的关键基石[4-5]。

热处理信息化管控系统采用集散式控制系统(Distributed control system)[6-7],利用通信网络,联结中控系统、加热设备、显示和数据记录,实现对生产过程的集中管理、分散控制,即采用具有PLC功能的智能数字化仪表通过光纤网线通讯,使中央控制系统集中实现对分散加热设备的过程控制,系统组成如图1所示。中央控制系统可对接车间生产排产管理、计量系统等服务平台,实际生产时,操作者可通过现场的操作终端录入零件信息并调取工艺知识库下发任务,设备过程参数和操作过程记录将通过网络传输保存到数据库,同时将由电子大屏实时显示设备过程状况。其中,数字化仪表可实现接收温度传感器信息控制加热设备时,同时将其控制参数和生产过程的数据采集都反馈,并由上一级的中央控制系统管理,并将实时数据传输并保存到服务器数据库中,实现生产设备过程参数的自动记录与储存。

图1 热处理信息化系统组成Fig.1 Component of heat treatment information system

2 热处理集成管控工艺知识库结构设计

热处理集成管控工艺知识库数据化是选取特定热处理判定规则,将热处理工艺流程转化为信息化数据列,并依据判定规则,对接生产MES系统选取相同的热处理工艺制度的产品合并同加热炉进行热处理。

航空铝合金热处理主要有固溶处理、时效、完全退火与不完全退火,为使产品在加工流程中分阶段、按需要获得可塑性和热处理组织与性能强化,每件产品会经过一次或多次热处理,但决定产品热处理组织和性能的关键因素是加热设备升温、保温、冷却过程的参数,而这些参数因加工材料类型各异,因此可以以航空铝合金材料类型与热处理工艺类型为参数变量对热处理工艺知识库进行构建建立。

2.1 以铝合金材料类型为变量

航空铝合金材料不同制品形式时热处理工艺过程会产生差异,构建工艺知识库时首先需要以铝合金材料类型为变量,构建不同材料的热处理工艺路线。选取材料规范为AMS-QQ-A-200/11的7075铝合金的空气炉处理制度为例,其热处理制度由固溶处理与时效处理组成,分别见表1与表2,可以看出即使是相同材料也存在不同制品形式,而不同制品形式下的热处理工艺过程也各不同,结合材料牌号与制品形式,即铝合金材料类型,例如7075锻件、7075薄板和中厚板、7075厚板和管材、7075挤压型材等,以铝合金材料类型划分后,合并相同的热处理工艺参数过程,再对其各自工艺参数过程构建知识库。

表1 7075铝合金空气炉固溶处理制度

表2 7075铝合金空气炉时效处理制度

2.2 以热处理工艺类型为变量

基于上述,依据热处理工艺方法将7075铝合金空气炉处理过程合并为固溶路线、单级时效路线、双级时效路线、完全退火路线与不完全退火路线,然后依据热处理工艺类型划分工步过程,如表3所示。实际生产中,产品需要依据厚度、是否包铝等判定条件输出对应的温度、时间与加入的辅助试剂等规则,所以可对划分的工步中依次输入需要判定的规则,以实现不同热处理工艺类型结构下的工艺知识库初步数据化。

表3 空气炉热处理工艺类型工步划分

7075板材厚度≤0.51 mm的O态热处理到T76态时,需要依次经过固溶处理与双级时效,热处理制度见表4。经过提取厚度规则后,最终可转化成表5的工艺知识库,实现中央控制系统根据工艺知识库参数对加热炉的过程集成控制。

表4 7075合金-O-T76热处理工艺参数

表5 7075合金板材O-T76空气炉的工艺知识库

2.3 多条件判定规则

铝合金热处理工艺参数的选取往往会受多种因素的影响,这需要在上述工艺类型中使用多条件规则判定工艺参数值。例如材料规范是AMS-QQ-A-200/11的7050-O1态自由锻件(毛坯厚度≤50.8 mm,零件厚度≤12.7 mm)热处理至T74状态时,需要经过(471±6) ℃的固溶处理与人工时效,其中固溶处理的保温时间需要在表6所示的基础保温时间上按每英寸“锻造”厚度追加1 h,但保温时间最少为2 h。此时7050锻件在固溶处理时不仅与零件厚度有关,还与毛坯厚度有关,便需要提取第二个条件选项毛坯厚度,转化成表7的多条件判定规则下的锻件固溶处理知识库。

表6 7050合金自由锻件固溶处理基础保温时间

表7 7050合金自由锻件空气炉的固溶处理工艺知识库

3 热处理工艺曲线可视化

衡量热处理生产质量是否达标,其生产的过程中质量控制与性能检测尤为重要,因此为实现质量控制预防与过程控制一体化,则需要确保设备加热过程曲线与工艺参数保持一致,热处理工艺曲线可视化则可直观地实现实时的对热处理特殊过程的监测,能在出现异常情况时及时采取有效措施。选取7075合金板材,厚度1.27 mm,在O-T62空气炉中进行热处理为例,其热处理工艺流程是先(494±5) ℃固溶保温(35±2) min后,人工时效(121±6) ℃保温(24±0.1) h,利用热处理信息化系统调取热处理工艺知识库参数,下发任务后实现的加热过程记录曲线如图2所示。经过对比工艺知识库参数与生产曲线记录可知,曲线趋势与工艺设定参数不超过固溶-2.6/+1.7 ℃与时效-4.9/+2.4 ℃,满足固溶±5 ℃与时效±6 ℃的允许温度偏差范围。

图2 7075合金-O-T62生产过程曲线记录(a)固溶处理;(b)人工时效Fig.2 Production process curve recording of 7050 alloy-O-T62(a) solution treatment; (b) artificial aging

4 结论

依据热处理信息化管控系统的铝合金热处理集成管控工艺知识库构架,有益于推进利用集散式控制系统实现中央控制分散式加热设备改造的实施,通过选取铝合金材料类型与工艺类型为参数变量对热处理工艺知识库进行构建,结合生产需求采用多条件判定规则,科学合理地实现了热处理工艺过程参数化、数据化转化。

1) 本项目实现了与车间排产系统的对接,可在信息化系统上完成对自零件来料加工、热工艺制度调取、热处理过程控制与监控、热处理质量信息记录的一体化管理,增加了热处理过程合并的科学性并提高了生产周转效率。

2) 经过实际生产过程曲线记录验证表明,利用中央控制系统对热处理过程的控制温度差异性小,满足热处理工艺参数的设定温度要求。

3) 本项目的实施对促进特殊热处理过程生产的信息化、集成化、质量监控与过程管理一体化具有理论和实践性的意义。